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Aulas de Bioquímica Aminoácidos Proteínas Enzimas Metabolismo Proteico PROFESSORA: ELIZETE CAVALCANTE DE CERQUEIRA BARROS Guarulhos 2012 Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 2 Importância das Proteínas *Estrutural - formam a membrana de todas as células, matriz dos ossos, músculos, cartilagens, tendões, pele, cabelos, unhas, garras, cascos, chifres. * Função energética secundária * Aceleram as reações químicas celulares - enzimas * Transporte - existem proteínas que transportam substâncias, tais como: - hemoglobina, proteína transportadora de Oxigênio. - albumina, proteína transportadora de ácidos graxos *Formam muitos hormônios como insulina *Defesa - formam anticorpos que protegem as células contra o ataque de parasitas *São responsáveis pelo funcionamento de vários órgãos As proteínas são moléculas grandes formadas por moléculas menores, denominadas aminoácidos. Para entendermos como as proteínas desempenham funções tão diferentes, precisamos entender sua estrutura, por isso passaremos para o estudo dos aminoácidos ESTUDO DOS AMINOÁCIDOS Os aminoácidos são moléculas pequenas que formam as proteínas. Estrutura das moléculas de aminoácidos Os aminoácidos são moléculas formadas por grupo carboxílico (COOH) que é ácido, e grupamento amina (NH2) que age como base. Fórmula Geral Onde: COOH representa o grupo ácido da molécula NH2 representa o grupo básico do aminoácido Ambos estão unidos ao Carbono (alfa), este possui uma ligação com Hidrogênio e um Radical de composição química variada Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 3 Os aminoácidos distinguem-se entre si pela composição química do Radical. H ﺍ H - C - COOH GLICINA (gly) ﺍ NH2 H ﺍ CH3- C - COOH ALANINA(ala) ﺍ NH2 Classificação dos aminoácidos Existem vários tipos de classificação dos aminoácidos, todos baseados na composição química do radical, desta forma podem ser classificados em: *Aminoácidos neutros (apresentam um grupo carboxílico e um grupo amina, ou seja, no radical não possui grupo carboxílico ou amina), Exemplo: H3C H H ﺍ ﺍ CH – C – COOH CH2 – C – COOH ﺍ ﺍ ﺍ H3C NH2 NH2 Valina Fenilalanina Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 4 *Aminoácidos ácidos (apresentam 1 grupo amina e 2 grupos carboxílicos, ou seja, possui grupo carboxílico no radical) Exemplo: H H ﺍ ﺍ COOH – CH2 – C – COOH COOH – CH2 - CH2 – C – COOH ﺍ ﺍ NH2 NH2 Ácido Aspártico Ácido Glutâmino *Aminoácidos básicos (apresentam 2 grupos amina e 1 grupo carboxílico, ou seja, possui amina no radical) H ﺍ NH2 – CH2 - CH2 - CH2 - CH2 – C – COOH Lisina ﺍ NH2 H ﺍ NH2 – C - CH2 - CH2 - CH2 – C – COOH Arginina ﺍ ﺍ ﺍ NH NH2 Aminoácidos como tampões Os aminoácidos podem reagir com ácidos ou bases, modificando suas cargas elétricas de acordo com o meio. Por possuírem grupos ácidos e básicos fracos, agem como solução tampão de muitas reações. Com ácidos fortes os aminoácidos captam H + do ácido, para manter o pH da solução constante, ficando positivos. H H ﺍ ﺍ R – C – COOH H+ R – C – COO H ﺍ HCl ﺍ NH2 NH3 + Aminoácido com carga + em solução ácida Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 5 Com bases fortes os aminoácidos doam H + para a base, para manter o pH constante, ficando negativos. H H ﺍ ﺍ R – C – COOH OH- R – C – COO – ﺍ NaOH ﺍ NH2 NH2 Aminoácido com carga - em solução básica ESTUDO DAS PROTEÍNAS As proteínas são macromoléculas, isto é, moléculas grandes formadas por aminoácidos unidos entre si por ligações peptídicas. Não existe um consenso para definir o número mínimo de aminoácidos que deve formar as proteínas. Generaliza-se que até 70 aminoácidos formam peptídeos, acima deste número de aminoácidos, as moléculas são consideradas proteínas. Tanto peptídeos quanto proteínas são formados pelo mesmo tipo de ligação entre os aminoácidos. Ligações Peptídicas As ligações peptídicas ocorrem sempre entre o grupo carboxílico do primeiro aminoácido com o grupo amina do segundo aminoácido, com a perda de uma molécula de H2O. H O ׀ H - C - C GLICINA (gly) ׀ OH H20 N / \ H H H H N ׀ O CH3 - C – C ALANINA(ala) ׀ H OH Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 6 H O ׀ H - C - C GLICINA (gly) ׀ N H H H N O ׀ CH3 - C – C ALANINA(ala) ׀ H OH Estrutura As proteínas diferem umas das outras de acordo com a sequência de aminoácidos que define a proteína. A sequência de aminoácidos que define cada proteína é uma informação codificada geneticamente. Deste modo, cada organismo, sintetiza suas próprias proteínas de conformidade com a informação genética que herdou. Existe uma enorme variedade de proteínas que podemos construir com os mesmos aminoácidos bastando modificar sua ordem. Essa é a base da diversificação da matéria viva. As proteínas apresentam quatro níveis de organização, ou seja, quatro tipos de estrutura, de acordo com a sequência, composição e número de aminoácidos que a compõe: A - ESTRUTURA PRIMÁRIA:- apresenta-se de forma linear e plana, não apresentando dobramentos. Numa das extremidades apresenta o grupo amina terminal livre (característica do lº aminoácido) e na outra extremidade um grupo carboxílico livre (característica do último aminoácido). Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 7 B - ESTRUTURA SECUNDÁRIA:- são espiraladas, enroladas em -hélice, devido a pontes de Hidrogênio entre os grupos N-H e C=O de dois aminoácidos distintos. As pontes de Hidrogênio são ligações fracas, mas como são várias, dão maior estabilidade à cadeia protéica, uma vez que ocorrem a intervalos regulares, ou seja, de 3 em 3 aminoácidos. C - ESTRUTURA TERCIÁRIA:-são cadeias dobradas sobre si mesmas, devido a interações entre os radicais dos aminoácidos da cadeia. D - ESTRUTURA QUATERNÁRIA: formada pela interação entre duas ou mais cadeias polipeptídicas distintas, devido a interações entre os radicais externos dos aminoácidos de cada cadeia. Estas proteínas são muito maiores e mais complexas que as outras, cada uma das cadeias polipeptídicas são denominadas protômeros ou monômeros. Assim, a proteína pode apresentar 2 protômeros (dímeros), 3 protômeros (trímeros), 4 protômeros (tetrâmeros). Essas uniões são muito fracas, facilitando sua dissociação. Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 8 Classificação das Proteínas Existe nos organismos vivos uma variedade muito grande de proteínas, por isso podemos classificá-las de duas maneiras: I - Quanto à composição podem ser: a) Proteínas Simples: formadas somente por aminoácidos ligados entre si. b) Proteínas Conjugadas: constituídas por cadeia de aminoácidos, ligado a outro composto, que não é formado por aminoácidos, ligado a cadeia, denominado grupo prostético. II - Quanto à forma podem ser: a) Proteínas Fibrosas: formadas por cadeias de estrutura primária ou secundária, são proteínas alongadas e elásticas. São pouco solúveis, desta forma não se deslocam com facilidade, por esta razão são encontradas desempenhando função estrutural. b) Proteínas Globulares:- formadas por cadeias de estrutura terciária ou quaternária. São moléculas muito dobradas sobre si mesma, muito compactadas, com pouco ou nenhum espaço para molécula de água em seu interior, os radicais externos da cadeia são hidrofílicos, ou seja, fazem ponte de Hidrogênio com a água, tornando esta proteína solúvel Correlação entre estrutura e função Existe enorme variação de proteínas, cada uma desempenhando uma função diferente para manter a célula viva. Cada proteína desempenha determinada função de acordo com a cadeia de aminoácidos que possui. Assim: As proteínas que desempenham função estrutural, tais como as que formam cabelos, unhas, pele, matriz dos ossos são Proteínas Fibrosas, por apresentarem baixa solubilidade e grande elasticidade As proteínas globulares, por serem solúveis, são mais ativas, desempenham função de transporte, enzimática ou de defesa, uma vez que são dobradas sobre si mesmas, possuem na parte externa da cadeia aminoácidos que por possuírem afinidade com a água, podem ser carreados por ela, assim podendo deslocar-se através do organismo. Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 9 ESTUDO DAS ENZIMAS Conceitos Gerais Enzimas são proteínas sintetizadas pelas células vivas que aceleram as reações químicas que ocorrem no organismo. A atuação das enzimas é denominado catálise, através deste trabalho as enzimas multiplicam milhares de vezes a velocidade das reações químicas. Na ausência de catalisadores enzimáticos, muitas reações químicas procedem muito lentamente na temperatura das células vivas. As enzimas fazem com que as reações espontâneas ocorram rapidamente nas condições existentes nas células, ou seja, as enzimas têm a habilidade de ligar eficientemente um ou ambos os reagentes, aumentando assim a velocidade de reação. As enzimas não se alteram pelas reações que provocam e atuam em concentrações relativamente baixas. Esquema de atuação de uma enzima S + E [ES] P + E # S = Substrato (substância na qual a enzima atua) # E = Enzima # [ES] = Complexo Enzima-Substrato (a enzima está encaixada na enzima) # P = Produto da reação (substrato transformado pela enzima) Enzima e Substrato específico da enzima Formação do Complexo Enzima/Substrato Enzima age no substrato, transformando-o no produto da reação Formação do produto da reação e a enzima é liberada sem sofrer modificações, pronta para agir novamente em outro substrato. Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 10 Nomenclatura das enzimas As primeiras enzimas que foram descobertas receberam nomes não sistemáticos, tais como, pepsina, ptialina, tripsina, etc. Quando mais enzimas foram descobertas, foram designadas acrescentando o sufixo “ase” ao nome do substrato sobre a qual estas agiam, desta forma temos então: urease = catalisa a hidrólise da uréia amilase = hidrolisa o amido lipase = hidrolisa gorduras Posteriormente as enzimas que catalisam reações foram denominadas pelo tipo de reação catalisada, também acompanhada pelo sufixo “ase”: desidrogenase = enzima que transfere H oxigenase = enzima que adiciona O2 descarboxilase = enzima que remove CO2 Com a descoberta de um número muito grande de enzimas a Comissão de Enzimas, da União Internacional de Bioquímica elaborou um sistema de nomenclatura baseado na classificação das enzimas de acordo com o tipo de reação e no mecanismo de reação. No entanto podem ainda ser utilizados os nomes antigos ou ainda: nome do substrato + a reação que a enzima provoca + sufixo “ase”. Ex.: piruvato descarboxilase = enzima que provoca a descarboxilação do piruvato piruvato desidrogenase = enzima que provoca a perda de Hidrogênios do piruvato malato desidrogenase = enzima que provoca a perda de Hidrogênios do malato Estrutura e Classificação As enzimas possuem as mesmas propriedades das proteínas e sua atividade catalítica depende da integridade de sua estrutura. As enzimas podem ser classificadas em: a) Enzimas simples: formadas exclusivamente por aminoácidos. São responsáveis pela quebra de ligações. Ex.: tripsina, quimotripsina, pepsina b) Enzimas conjugadas: formadas por duas unidades: a parte protéica é denominada apoenzima e uma parte não protéica denominada coenzima.. O conjunto coenzima + apoenzima é denominado holoenzima. São responsáveis pela transferência de grupos de um substrato ao outro. Ex.: Lactato desidrogenase, Piruvato descarboxilase Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 11 Atividade Enzimática Todas as enzimas apresentam sítio ativo (ou sítio catalítico) e sítio de ligação. - Sítio Ativo é a região da enzima que age no substrato, modificando-o, transformando no produto da reação. - Sítio de Ligação é a região da enzima que aproxima-se e encaixa-se ao substrato, permitindo que a reação ocorra. No caso das enzimas simples, alguns aminoácidos agem como sítio ativo e o restante dos aminoácidos como sítio de ligação. Nas enzimas conjugadas, a apoenzima é responsável pela aproximação e encaixe ao substrato, portanto corresponde ao sítio de ligação da enzima e a coenzima ao sítio ativo, pois é esta que age no substrato, transferindo grupo. Mecanismo de ação das coenzimas As coenzimas podem agir como segundo substrato, pois as modificações na coenzima, contrabalançam exatamente aquelas ocorridas no substrato. Ex.: SH2 + NAD S + NADH2 Nas transferências de grupos de uma molécula doadora a uma receptora, geralmente envolvem uma coenzima como aceptor final ou como intermediário (transportador de grupo). D - G CoE A - G D CoE-G A As vitaminas do Complexo B fazem parte da estrutura de muitas coenzimas. As vitaminas são compostos orgânicos que não possuemestrutura protéica e trabalham com as enzimas, funcionando como coenzimas: Especificidade Cada enzima catalisa determinada reação. A especificidade é determinada pelo arranjo molecular da enzima que deve se encaixar no arranjo molecular do substrato. É a apoenzima que garante a especificidade da enzima. A especificidade da enzima com o substrato é uma relação tipo “chave-fechadura”, entre a molécula do substrato e uma região da molécula de enzima denominada sítio-ativo ou centro-ativo, ao qual a molécula está ligada enquanto sofre a ação catalítica A especificidade da enzima depende de algo mais do que a ordem de aminoácidos de que são feitos. Tais como assimetria e cargas elétricas Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 12 Qualquer alteração sofrida pelo substrato ou pela enzima, implica na falta de ligação entre enzima e o seu substrato, não havendo assim reação. Fatores que interferem na atividade enzimática - pH – uma vez que as enzimas são proteínas, são formadas por aminoácidos, e estes, conforme o pH em que se encontram, alteram suas cargas elétricas. Desta forma, a alteração da carga elétrica dos aminoácidos que compõem uma proteína enzimática, faz com que esta possa não reconhecer seu substrato específico para a ele se encaixar e catalisar a reação química específica. Por isso, cada enzima apresenta um ótimo de pH em que a velocidade de reação é máxima, fora do ótimo diminui ou perde completamente a atividade. - temperatura – cada enzima apresenta um ótimo de temperatura em que a velocidade de reação é máxima, fora do ótimo, diminui ou perde completamente a atividade. Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 13 - Inibidores Enzimáticos – são drogas que bloqueiam a atividade das enzimas, e podem ser de dois tipos: a) inibidores competitivos – competem com o substrato pelo centro ativo da enzima, bloqueando sua ação. Inibidor competitivo b) inibidores não competitivos – não competem com o substrato, ligam-se em qualquer ponto da enzima, modificando sua estrutura, bloqueando assim sua ação. Inibidor não competitivo Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 14 METABOLISMO PROTÉICO Digestão e Absorção A necessidade protéica diária de um indivíduo, é cerca de lg de proteína por Kg de peso, isto é, um indivíduo de 60 Kg necessita cerca de 60 g de proteínas por dia, sendo que esta dieta deve satisfazer não só a quantidade como a qualidade dos aminoácidos, visto que alguns aminoácidos, ditos essenciais, devem vir obrigatoriamente da dieta. Através da dieta recebemos proteínas (animal e vegetal) em seu estado nativo, tal como se encontram na natureza. Por serem moléculas organizadas, são dificeis de serem quebradas (hidrolizadas). Portanto, as proteínas que chegam ao organismo através da dieta, primeiramente são submetidas a uma desnaturação no estômago, pela mudança de pH, e posteriormente hidrolizadas por enzimas específicas. Essas enzimas são encontradas nos sucos: gástrico, entérico e pancreático. A digestão das proteínas é iniciada no estômago por ação da enzima pepsina que hidrolisa a proteína, transformando-a em peptídeos menores. Estes são lançados no intestino delgado e por ação de enzimas pancreáticas (tripsina e quimotripsina) são degradados a aminoácidos. O suco intestinal também produz enzimas, denominadas carboxipeptidases que terminam a quebra de todos os peptídeos, de modo que toda a proteína seja degradada totalmente a aminoácidos, estes são absorvidos e transportados até o fígado, parte deles são lançados novamente na corrente circulatória e outra parte usada para produção de novas proteínas. Tais proteínas podem ser lançadas na circulação e distribuídas para todos os tecidos do organismo. FÍGADO TECIDOS albumina-transporta ácidos graxos livres -globulinas-transporta lipídeos e hormônios -globulinas-transporta lipídeos e tem atividade como anticorpo -globulinas-forma a maioria dos anticorpos fribinogênio-precursor da fibrina dos coágulos sanguineos protrombina-precursor da trombina necessária para a coagulação do sangue Proteínas da Dieta “Pool” de Aminoácidos Proteínas Específicas Aulas de Bioquímica Profª Elizete Cavalcante de Cerqueira Barros 15 Reações dos aminoácidos Transaminação – transferência de grupo amina de um aminoácido doador a um ácido orgânico, permitindo a síntese de novos aminoácidos. Para que esta reação seja possível, é necessário que o aminoácido doador sofra a ação de uma enzima conjugada, denominada transaminase, cuja coenzima é derivada da vitamina B6 ou Piridoxina. Aminoácido X Enzima Aminoácido Y Ácido Orgânico X Enzima-NH2 Ácido Orgânico Y Descarboxilação - corresponde a perda de CO2, de um aminoácido, conservando o grupo amina, formando compostos nitrogenados não protéicos. CO2 Aminoácido Histidina Histamina (Hormônio envolvido com reações alérgicas) CO2 Aminoácido Triptofano Serotonina (Hormônio que dá a sensação de prazer) CO2 Aminoácido Tirosina DOPA Adrenalina (Hormônio que é liberado em situações de hipoglicemia, falta de ATP, stress, ansiedade ou jejum prolongado) Desaminação - corresponde a perda de grupo amina de uma aminoácido com formação de um ácido orgânico e NH3, este é tóxico e deve ser eliminado através de mecanismos excretores de desintoxicação. A amônia é excretada pelos animais por diferentes meios. Os mamíferos convertem a amônia em uréia, sendo excretada pela urina. Aminoácido H R – C- COOH CETOÁCIDO (intermediários do ciclo de Krebs ou da glicólise) NH2 Glicose ATP Ácidos Graxos NH3 + CO2 URÉIA URINA Processo que ocorre no fígado, embora também possa ocorrer no cérebro e rins
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